JP2015213981A - 球体研削における球体支持方法、球体支持装置および球体研削装置 - Google Patents

Abstract

【課題】球体との間の摩擦が軽減されかつ粉塵による動作不良が発生しにくい、球体支持方法、球体支持装置、及び球体支持装置を使用する球体研削装置を提供する。
【解決手段】球体のワークＷを回転させて表面研削するときワークを下方から支持する方法である。主ボール１４の略下半分と凹状に略半球湾曲する保持面２１との間に、複数の保持ボール１３を一層で介在させる。主ボールの上方をカバー１２に設けられた円形の保持孔２８から露出させて、主ボールの大部分、保持面および保持ボールを、カバーにより覆って主ボールを回転自在とする。保持孔から露出する主ボールにワークの下方を支持させ、カバーに覆われた主ボールと保持面との間にクーラントＣＬを供給して、主ボールと保持孔との間からクーラントを外部に排出する。
【選択図】図７

Description

本発明は、球体を回転させながら研削または研磨するときの球体支持方法、球体研削装置、および球体研削装置に使用される球体支持装置に関する。

球体（ボール）は、他の部材の面等に点で接するため転がり抵抗が小さく、回転する機器の軸受け等のボールベアリングに使用される。
回転軸等を支持するボールベアリングで生ずる運動エネルギーのロスは、内輪、外輪および保持器と球体との摩擦の程度に相関し、球体表面の平滑性が高いほど摩擦によるエネルギーのロスが低下する。

大型のボールベアリングに使用される大きな球体の表面平滑化は、例えば、１つの球体を保持装置に保持させ、球体を回転させながらその表面を砥石等により研削（研磨）することにより行われる。そして、球体表面の研削を均等化し高い真球度を得るために、球体の回転軸を予め設定された条件に従い傾斜させ砥石が研削する表面を絶えず更新させる、球体の研削装置が提案されている（特許文献１）。

特開２０１２−７１４１３号公報

特許文献１に提案された球体の研削装置は、研削対象である球体が、球体の下方に位置するサポートローラ（ボールベアリング）により支えられる。特許文献１に記載された球体の研削では、研削の多くの時間で、サポートローラの回転軸に対して球体の回転軸が平行ではなく傾斜する。このように両回転軸が平行ではないとき、球体が接して回転させるベアリングの回転方向が球体の回転方向に対して傾斜しているので、球体とこれに接するベアリング（の外輪の）外周面との間に、両回転軸が平行な場合に比べて大きな摩擦が生ずる。

また、特許文献１に提案された球体の研削装置では、研削により発生する砥石および球体由来の粉塵がベアリングの内部に進入し、ベアリングボール、内輪等の表面を傷つけるおそれがあり、ベアリングボール等の表面の損傷は、ベアリングの円滑な回転を妨げる。
特許文献１記載の研削装置における球体とベアリング外周面との摩擦、および生ずるおそれがあるベアリングの回転不良は、極端な場合には、球体の回転軸の傾斜を設定から狂わせ、研削後のボール表面に研削ムラを生じさせるおそれがある。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、球体表面全体の均等研削において球体との間の摩擦が軽減されかつ粉塵による動作不良が発生しにくい、球体支持方法、球体支持装置、および球体支持装置を使用する球体研削装置を提供することを目的とする。

本発明に係る球体支持方法は、球体であるワークを回転させながらその表面を研削するときにワークを下方から支持する際の方法である。
その方法は、以下のようなものである。
すなわち、球である主ボールの略下半分と凹状の略半球湾曲面である保持面との間に球である保持ボール複数を一層で介在させる。そして、主ボールの球心よりも上方の一部をカバーに設けられた円形の保持孔から露出させた状態で、主ボールの大部分、保持面および保持ボールを、カバーにより覆って主ボールを回転自在とする。

保持孔から露出する主ボールにワークの下方を支持させ、カバーに覆われた主ボールと保持面との間にクーラントを供給して、主ボールと保持孔との間からクーラントを外部に排出する。
本発明に係る球体支持装置は、球体であるワークを回転させながらその表面を研削するときにワークを下方から支持する装置である。

球体支持装置は、ボールユニットと、クーラント導入手段とを有する。
ボールユニットは、ワークの下方に接してこれを直接に支持する球状の主ボールと、凹状の略半球湾曲面である保持面を備えたケースと、主ボールの直径よりも小さな直径の円形貫通孔である保持孔を備えたカバーと、主ボールよりも直径が小さな複数の保持ボールと、を有する。

主ボールは、保持面に一層に並ぶ複数の保持ボールに保持され、その一部を保持孔から露出させて保持面および保持ボールとともに回転自在に前記カバーに覆われている。
クーラント導入手段は、ボールユニットにおける主ボールのカバーに覆われた部分と保持面との間にクーラントを供給可能に形成されている。
球体支持装置は、主ボールにおける保持孔から露出する部分にワークを支持させてワークの表面を研削するとき、供給されるクーラントが主ボールと保持孔との間から外部に排出されるように形成されている。

クーラント導入手段は、半球湾曲面である保持面の最深部に、クーラントを供給するために開口する孔を備えるのが好ましい。
本発明に係る球体研削装置は、ワークを回転可能にその下方から支持する装置として前述の球体支持装置を備えた、球体であるワークを回転させながらその表面を研削する球体研削装置である。

本発明によると、球体表面全体の均等研削において球体との間の摩擦が軽減されかつ粉塵による動作不良が発生しにくい、球体支持方法、球体支持装置、および球体支持装置を使用する球体研削装置を提供することができる。

図１は球体支持装置の正面図である。 図２は球体支持装置の平面図である。 図３は球体支持装置の左側面図である。 図４は図３におけるＡ−Ａ断面図である。 図５は球体研削装置における球体支持装置周辺の側面図である。 図６は図５におけるＢ−Ｂ矢視図である。 図７は球体研削装置における球体支持装置の機能を説明する図である。

図１は球体支持装置１の正面図、図２は球体支持装置１の平面図、図３は球体支持装置１の左側面図、図４は図３におけるＡ−Ａ断面図である。
球体支持装置１は、ワークである球体Ｗの表面を研削または研磨するとき、球体Ｗの自由な回転を許容しながら球体Ｗからの荷重の大半を支える。
球体支持装置１は、ボールユニット２およびクーラント導入部３からなる。

ボールユニット２は、ケース１１、カバー１２、球である複数の保持ボール１３，…，１３、球である主ボール１４等で構成される。
ケース１１は、外観が略円柱状であり、その一方の底面の大部分が、凹状に湾曲する保持面２１となっている。保持面２１は、半球の表面に類似し、中心を含むすべての平面に対して面対称である。保持面２１の端縁と最深部との間には、その曲率半径が、保持ボール１３の直径に主ボール１４の半径を加えた値の、端縁と平行に一巡する帯である遷移帯２２を有する
保持面２１における遷移帯２２に対して端縁側の部分２３および最深部の側部分２４の曲率は、いずれも遷移帯２２の曲率よりも大きい。

ケース１１における保持面２１の反対側の端面（円柱の他方の底面）の中央部分には、断面が円形の浅い有底の孔（「凹状孔」という）２５が設けられている。
ケース１１は、保持面２１の最深部近傍から凹状孔２５に貫通する複数の連通孔２６，…，２６を有する。
カバー１２は、形状が全体として円筒であり、一方の開口にはフランジ２７が設けられている。円筒の他方の端は主ボール１４の直径よりも小さな径の円形の開口（以下「保持
孔２８」）を備える。カバー１２における円筒軸方向の長さは、ケース１１における円柱形状の高さよりも大きい。カバー１２のフランジ２７側の内周は、略円柱状のケース１１の外周と凹凸関係を有する形状である。カバー１２の内周における保持孔２８側は、段が形成されて内径が小さくなっている。この部分の内径は、ケース１１の保持面２１における開口部分の内径より僅かに大きい。

保持ボール１３は、金属で形成された球体である。保持ボール１３は、セラミックスまたはポリアセタールもしくはポリカーボネートのような硬質の樹脂で形成してもよい。
主ボール１４は、保持ボール１３よりも大きな球であり（例えば、その直径が保持ボール１３の直径の１０倍弱）、金属、セラミックスまたは硬質の樹脂等で形成される。
ボールユニット２には、ケース１１の保持面２１に保持ボール１３，…，１３が一層に並ぶ。一層に並ぶ保持ボール１３，…，１３の上に、主ボール１４が載せられている。保持ボール１３，…，１３は、主ボール１４の略下半分の周りに配される。

カバー１２は、保持面２１、保持ボール１３，…，１３を覆い、主ボール１４の上部を保持孔２８に貫通させて、主ボール１４側から、ケース１１に被せられる。ケース１１はカバー１２に嵌め合わされ、ケース１１とカバー１２とはスナップリング等により一体化される。主ボール１４は、その上方の一部が保持孔２８から外部に露出した状態で、ケース１１およびカバー１２の内部に回転自在に保持される。主ボール１４は、連通孔２６側（＝保持面２１の最深部側）への移動が保持ボール１３，…，１３に妨げられ、この反対側への移動が保持孔２８により妨げられる。これらに直交する方向への移動は、保持ボール１３，…，１３により妨げられる。ケース１１およびカバー１２に対する主ボール１４が相対移動可能な範囲は小さく、すなわち、主ボール１４の球心の位置の変化が小さい。

嵌め合わされたケース１１およびカバー１２における主ボール１４が露出する側の反対側は、面一の（同一平面に）端面である。
ボールユニット２は、その内部と外部とが、主ボール１４と保持孔２８との隙間、および連通孔２６，…，２６によってのみ連通する。
クーラント導入部３は、外観が直方体の金属塊である。クーラント導入部３は、直方体の１つの面の中央に、ケース１１の凹状孔２５と断面形状が同一で凹凸の関係となる、外方に突出する凸部３１を備える。凸部３１の端面は平面であり、その高さは凹状孔２５の深さよりも小さい。クーラント導入部３は、凸部３１の端面の開口から奥に延び、内方で直角に折れて他の端面３２に達する、クーラントを流すための導入路３３を備える。他の端面３２における導入路３３の開口部分には、雌ネジが設けられてチューブ継手３４が取り付けられている。導入路３３の開口部分およびチューブ継手３４の取り付けは、他の端面に行ってもよい。

クーラント導入部３は、凸部３１がボールユニット２の凹状孔２５に嵌め合わされ、フランジ２７を貫通する２つのボルト３５，３５により、ボールユニット２と一体化される。凸部３１の高さは凹状孔２５の深さよりも小さいので、凸部３１と凹状孔２５との嵌め合わせ部分では、凸部３１の突出端面と凹状孔２５の底面との間に、高さが低い円柱状の空間が形成される。

次に、球体支持装置１が組み込まれた球体研削装置７の概略を説明する。
図５は球体研削装置７における球体支持装置１周辺の側面図、図６は図５におけるＢ−Ｂ矢視図である。
球体研削装置７は、球体の表面研削等に使用される装置である。球体研削装置７は、研削対象の球体Ｗの下方を支える下方支持装置１５、球体Ｗを回転させる一対のテーパローラ１６，１６、および球体Ｗをテーパローラ１６，１６に押しつける押圧装置１７等を有する。

下方支持装置１５は、基台４１および球体支持装置１で形成される。基台４１は、球体支持装置１を球体Ｗの研削に適切な位置（高さ）、姿勢に維持するものである。基台４１は、その下端が球体研削装置７の共通架台に固定される。
球体支持装置１は、その中心軸を垂直方向に対し傾斜させて、下方支持装置１５の上端に固定されている。球体支持装置１の「中心軸」とは、円柱状であるケース１１の軸であ
り、これに一致する円筒状のカバー１２の軸である。「中心軸」は、主ボール１４の中心および保持面２１の中心（すべての対称面に含まれる）を含む。

基台４１の高さおよび球体支持装置１の垂直方向からの傾斜の程度は、研削する球体Ｗの大きさ等により適宜変更される。
球体支持装置１のチューブ継手３４は、樹脂チューブ３６によってクーラント供給装置に連結される。
一対のテーパローラ１６，１６は、それぞれの回転軸の軸心が一致するようにかつ互いに間隔を有して配され、個別に回転駆動装置に連結されて異なる回転数での制御が可能である。テーパローラ１６，１６は、いずれも回転軸方向の一方の側が端に向かって徐々に径が小さくなった台形の回転体形状である。一対のテーパローラ１６，１６は、同一の形状であって、径が小さい側の端面を対向させ、距離をおいて面対称に配されている。

一対のテーパローラ１６，１６は、中心軸が傾斜する球体支持装置１に対して、主ボール１４が偏る側に位置する。また、一対のテーパローラ１６，１６は、これらの対称面が球体支持装置１の中心軸を含むように配される。
押圧装置１７は、プレッシャローラ４２、およびプレッシャローラ４２を回転自在に保持する保持装置４３を有する。プレッシャローラ４２は、外観が径に比べて高さが小さな円柱状であり、ボールベアリングが用いられている。プレッシャローラ４２は、球体支持装置１を挟んでテーパローラ１６，１６の反対側に配される。

保持装置４３は、プレッシャローラ４２のテーパローラ１６，１６からの距離、およびプレッシャローラ４２の高さが変更可能なように形成されている。
球体Ｗを研削するための砥石４４は、真上から球体Ｗに押しつけられる。砥石４４の押しつけは、エアシリンダにより行われ、作動流体である空気の圧力制御によってその押圧力が調整される。

図７は球体研削装置７における球体支持装置１の機能を説明する図である。
図５，６をも参照して、球体研削装置７による球体Ｗの研削では、初めに球体Ｗが、球体支持装置１の主ボール１４および２つのテーパローラ１６，１６の３点（「支持点」という）Ｐ１，Ｐ２，ＰＣに支持させて球体研削装置７に取り付けられる。球体Ｗの球心（重心）Ｃ１は、平面視において、支持点Ｐ１，Ｐ２，ＰＣで形成される三角形の中に存在する（図５）。

押圧装置１７のプレッシャローラ４２を、球体Ｗの球心Ｃ１よりも高い位置で球体Ｗに押圧させる。外観が円柱状の砥石４４は、その軸心が鉛直になり、かつその延長が球体Ｗの球心Ｃ１を通るように、球体Ｗの上方に所定の押圧力で押しつけられる。
一対のテーパローラ１６，１６は、それぞれが設定された回転数で、回転軸ＡＲ１周りに回転する。テーパローラ１６，１６の回転に伴い、点Ｐ１，Ｐ２でテーパローラ１６，１６に接する球体Ｗが回転する。球体Ｗの回転は、例えば、図７における左側のテーパローラ１６が右側のテーパローラ１６よりも速く回転する場合、図７において、球体Ｗは左側が速く回転し、見掛け上、球体Ｗの回転軸ＡＲ２は、右側に比べて左側がテーパローラ１６，１６の回転軸ＡＲ１から遠くなる。

球体研削装置７では、一対のテーパローラ１６，１６の回転軸ＡＲ１に対して球体Ｗの回転軸ＡＲ２が傾斜することにより、砥石４４が当たる球体Ｗの表面が連続的に変化し、表面が均等に研削される。
球体支持装置１における主ボール１４は、その球心Ｃ２と球体Ｗの球心Ｃ１とを結ぶ線上の支持点ＰＣで球体Ｗを支持する。一方、主ボール１４は、構造上任意な回転軸周りに回転可能であるので、球体Ｗの回転軸ＡＲ２に平行な回転軸ＡＲ３周りに、球体Ｗの回転に伴って受動的に回転する。

主ボール１４の回転軸ＡＲ３が常に球体Ｗの回転軸ＡＲ２に平行となる球体支持装置１による球体Ｗの支持では、主ボール１４の回転軸ＡＲ３に直交し球体Ｗの支持点ＰＣを含む平面が、常に球体Ｗの回転軸ＡＲ２に直交する。つまり、球体支持装置１は、主ボール１４の回転方向と球体Ｗの回転方向とを常に一致させることができるので、球体Ｗの回転により効率的に主ボール１４が回転し、球体Ｗの表面と主ボール１４表面との摩擦が最小
限に抑えられる。

球体支持装置１が組み入れられた球体研削装置７は、球体Ｗの回転軸ＡＲ１を設定通りに実現し維持することができるので、砥石４４に当たる球体Ｗの表面が予定通り変更され、表面を均等に平滑化することができる。
一般に、研削処理では、研削環境に冷却液（「クーラント」）が供給され、発熱によるワークＷの昇温を防ぐことがなされる。これに倣い、球体研削装置７においても、球体Ｗの砥石４４に当たる部分近傍に、ノズル４５からクーラントＣＬが供給される。ノズル４５から供給されるクーラントＣＬは、球体Ｗの過熱を防止するとともに、同時に、研削により発生する砥石および球体Ｗ由来の粉塵を研削環境から除去する役割を有する。

球体支持装置１では、これとは別に、樹脂チューブ３６およびチューブ継手３４を経由させて、ボールユニット２内部にもクーラントＣＬが供給される。クーラントＣＬは、導入路３３を通り、凸部３１と凹状孔２５との嵌め合わせ部分に形成された円柱状の空間に流入する。クーラントＣＬは、この円柱状の空間で連通孔２６，…，２６に分配され、ボールユニット２内部の空間に供給される。クーラントＣＬは、この空間で保持ボール１３，…，１３および主ボール１４を冷却し、主ボール１４と保持孔２８との間隙から外部に排出される。

さらに、球体支持装置１に供給されたクーラントＣＬは、主ボール１４と保持孔２８との間隙から外部に排出されることにより、ノズル４５から供給されたクーラントＣＬに同伴される粉塵が、主ボール１４と保持孔２８との間隙からボールユニット２内部に進入するのを妨げる。ボールユニット２内部への粉塵の進入が妨げられることにより、保持ボール１３，…，１３および保持面２１の粉塵による損傷が防止され、かつ少なくともボールユニット２内部での主ボール１４の損傷も防止される。

球体支持装置１が使用された球体研削装置７による球体Ｗの研削では、主ボール１４と球体Ｗとの摩擦が軽減でき、かつ主ボール１４の円滑な回転を妨げるボールユニット２内部の摩耗等が防止されるので、球体Ｗの回転方向の変更を設定通りに行うことができる。その結果、球体研削装置７は、安定して球体Ｗ表面を均等に研削することができる。
球体支持装置１に供給されるクーラントＣＬの量は、実際に研削処理を行って粉塵の進入が防止される供給量を見極めて決定するのが好ましい。この他に、例えば、砥石および球体Ｗ由来の粉塵の真比重、大きさおよび供給されるクーラントＣＬの比重、粘度を用いて、ストークスの式により導出することができる。すなわち、静止状態のクーラント中を沈降する代表粉塵の終末速度をストークスの式を用いて求め、これに、主ボール１４に荷重が加わったとき（主ボール１４が保持面２１側に押し込まれたとき）の主ボール１４と保持孔２８との間隙の面積を掛け合わせた数値が、クーラントＣＬの最少供給量または供給量の目安となる。「代表粉塵」とは、一例として、研削により生じた粉塵のうち、砥石４４由来の最大粒子径を有する粉塵または球体Ｗ由来の最大粒子径を有する粉塵のいずれかである。

上述の実施形態において、球体支持装置１、および球体支持装置１の各構成、全体の構造、形状、寸法、個数、材質、ならびに研削時における球体Ｗの支持方法などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。

本発明は、球体を回転させながら研削または研磨する球体研削方法および装置に利用することができる。

１ 球体支持装置
２ ボールユニット
３ クーラント導入部（クーラント導入手段）
７ 球体研削装置
１１ ケース
１２ カバー
１３ 複数の保持ボール
１４ 主ボール
２１ 保持面
２６ 連通孔（最深部に開口する孔）
２８ 保持孔
３３ 導入路（クーラント導入手段）
Ｗ 球体（ワーク）
ＣＬ クーラント

Claims (4)

1. 球体であるワークを回転させながらその表面を研削するときに前記ワークを下方から支持する球体支持方法であって、
   球である主ボールの略下半分と凹状の略半球湾曲面である保持面との間に球である保持ボール複数を一層で介在させ、前記主ボールの球心よりも上方の一部をカバーに設けられた円形の保持孔から露出させた状態で、前記主ボールの大部分、前記保持面および前記保持ボールを前記カバーにより覆って前記主ボールを回転自在とし、
   前記保持孔から露出する前記主ボールに前記ワークの下方を支持させ、
   前記カバーに覆われた前記主ボールと前記保持面との間にクーラントを供給して前記主ボールと前記保持孔との間から前記クーラントを外部に排出する
   ことを特徴とする球体研削における球体支持方法。
2. 球体であるワークを回転させながらその表面を研削するときに前記ワークを下方から支持する球体支持装置であって、
   ボールユニットと、
   クーラント導入手段と、を有し、
   前記ボールユニットは、
   前記ワークの下方に接してこれを直接に支持する球状の主ボールと、
   凹状の略半球湾曲面である保持面を備えたケースと、
   前記主ボールの直径よりも小さな直径の円形貫通孔である保持孔を備えたカバーと、
   前記主ボールよりも直径が小さな複数の保持ボールと、を有し、
   前記主ボールが、前記保持面に一層に並ぶ複数の前記保持ボールに保持され、その一部を前記保持孔から露出させて前記保持面および前記保持ボールとともに回転自在に前記カバーに覆われており、
   前記クーラント導入手段は、
   前記ボールユニットにおける前記主ボールの前記カバーに覆われた部分と前記保持面との間にクーラントを供給可能に形成されており、
   前記主ボールにおける前記保持孔から露出する部分に前記ワークを支持させて前記ワークの表面を研削するとき、供給される前記クーラントが前記主ボールと前記保持孔との間から外部に排出されるように形成された
   ことを特徴とする球体支持装置。
3. 前記クーラント導入手段は、
   前記半球湾曲面である保持面の最深部に、前記クーラントを供給するために開口する孔を備えた
   請求項２に記載の球体支持装置。
4. 球体であるワークを回転させながらその表面を研削する球体研削装置であって、
   前記ワークを回転可能にその下方から支持する装置として請求項２または請求項３に記載の球体支持装置を備えた
   球体研削装置。